北京联合大学毕业设计开题报告-OFDM调制解调技术的设计与仿真实现

北京联合大学毕业设计（论文）开题报告北京联合大学毕业设计（论文）开题报告 题目：OFDM 调制解调技术的设计与仿真实现 专业：通信工程指导教师： 张 xx 学院：信息学院学号：xxxxx 班级：1101B姓名：xxxx 一、课题任务与目的一、课题任务与目的 1主要任务： 正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing ，OFDM）技术 虽然具有在时域上抵抗多径衰落、频域上抵抗选择性，简化接收机的信道均衡操 作；抗窄带干扰性强，窄带带宽下也能够发出大量的数据；能有效对抗信号波形 间的干扰， 适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输； 信道利用率高等优点。 但是， OFDM 技术也具有时域同步要求高、同频干扰大、信号峰均比（PARR） 高等缺点。因此，本课题的主要任务在于深入学习和研究 OFDM 的基本原理与 技术，分析 OFDM 技术的优缺点。基于 MATLAB 软件平台设计一个 OFDM 系 统，编写系统代码并完成软件仿真，实现 OFDM 系统内信号的调制与解调，观 察并记录仿真数据和结果，分析系统性能，找出仿真过程中 OFDM 系统所出现 的问题或缺陷，思考并提出解决或抵抗该问题或缺陷有效方法。 2研究目的： （1）掌握 OFDM 技术的基本原理与技术，研究 OFDM 相关公式，并分析 OFDM 技术的优缺点。 （2）掌握 OFDM 系统的基本工作过程，设计出 OFDM 仿真系统，通过仿 真分析系统性能。 （3）发现 OFDM 系统仿真过程中所出现的问题，并提出解决方案，为完善 OFDM 技术提供实验依据。 （4）熟练掌握 MATLAB 软件平台的基本应用。 二、调研资料情况二、调研资料情况 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用) 作为一 种高效的传输技术， 它起源于多载波调制 (Multi Carrier Modulation， MCM)技术， 最初应用可追溯到 20 世纪五六十年代，美国军方开发了世界上第一台多载波调 制系统。期间，经过了 10 多年的缓慢发展，直到 1971 年，韦斯坦（Weistein） 和艾伯特（Ebert）等人应用离散傅里叶变换（DFT）和快速傅里叶方法（FFT） 研制出了完整的多载波传输系统，使全数字化实现 OFDM 成为可能。自 20 世纪 60 年代 OFDM 系统的提出，至今已有 50 多年历史。 自 20 世纪 80 年代开始，OFDM 调制技术逐渐成为研究热点。如，1981 年 Hirosaki 采用基于 DFT 实现的 OFDM 调制技术试验成功了 16QAM 多路并行传 送 19.2kbps 的电话调制器（Modem）；1985 年 Cimini 提出将 OFDM 用于无线 通信的设想等等。进入 20 世纪 90 年代以来，先进的数字信号处理技术和大规模 集成电路的的飞速发展为 OFDM 技术的发展提供了极大的便利。至此，OFDM 技术被广泛应用于数字通信领域，如，非对称数字用户线系统（ADSL）、高速 数字用户环路(HDSL)、数字视频广播（DVB）、无线局域网（WLAN）、第四 代移动通信（4G）等。 1995 年，欧洲电信标准化协会（ETSI）制定颁布了数字音频广播（DAB） 标准，成为第一个采用 OFDM 作为调制技术的通信标准。此后，美国、欧洲、 日本、中国等国家地区相继出台了 ATSC、地面数字视频广播（DVB-T）标准、 地面综合业务数字广播（ISDB-T）标准、地面数字电视多媒体广播（DTMB） 等地面数字电视标准，目前世界上被 ITU 接收的四个主流数字电视标准，除了 美国的 ATSC 之外，其余三个标准都采用了 OFDM 调制方式。此外，OFDM 技 术在无线局域网（WLAN）和移动通信系统也得到了广泛的应用。尤其在移动通 信领域，由于 OFDM 的频率利用率最高，又适用于 FFT 算法处理，近年来在多 种系统得到成功的应用，在理论和技术上已经成熟。因此，3GPP/3GPP2 组织成 员多数推荐 OFDM 作为第四代移动通讯无线接入技术之一。2012 年 ITU 正式审 议通过将 LTE-Advanced 和 WirelessMAN-Advanced（即 WiMAX IEEE 802.16m） 技术规范确立为 4G 国际标准。目前，随着第四代移动通信（4G）网络的广泛使 用， OFDM 技术作为三大关键技术之一， 在 TD-LTE 技术中占据重要地位， 并且， 预计在未来的第五代移动通信技术（5G）中 OFDM 仍将作为主要的调制方式。 在国内，OFDM 调制解调技术已广泛应用于地面数字电视系统、无线局域网 （WLAN）系统和第四代移动通信（4G）系统。参考文献如下： 1 杨昉，何丽峰，潘长勇 . OFDM 原理与标准：通信技术的演进M. 北京： 电子工业出版社，2013.09 2 韩 Yong Soo Cho ， 韩 Jaekwon Kim ， 韩 Won Young Yang. MIMO-OFDM 无线通信技术及 MATLAB 实现M. 北京：电子工业出版社 2013.06 3 汪裕民.OFDM 关键技术与应用M. 北京：机械工业出版社 2007.01 4 李莉.MIMO-OFDM 系统原理、应用及仿真M. 北京：机械工业出版社 2014.03 5 佟学俭，罗涛.OFDM 移动通信技术原理与应用M. 北京：人民邮电出 版社 2003.05 6 艾渤，王劲涛，钟章队.宽带无线通信 OFDM 系统同步技术M. 北京： 人民邮电出版社 2011.04 7 周恩，张兴，吕召彪 .下一代宽带无线通信 OFDM 与 MIMO 技术M. 北 京：人民邮电出版社 2008.04 8 谢显中等.基于 TDD 的第四代移动通信技术M. 北京： 电子工业出版社， 2005.07 9 樊昌信，曹丽娜.通信原理M. 北京：国防工业出版社，2013.08 10 李旭，艾渤，钟章队.移动通信原理与系统M. 北京：科学出版社 2011.04 11 沈嘉， 索士强， 全海洋， 等.3GPP 长期演进(LTE)技术原理与系统设计 北 京：人民邮电出版社，2008. 12 3GPPTS 36.2ll V 8.4.O.Physical Channel and Modulation2008：62-64. 13 王璐.LTE 物理层上行技术研究.北京：北京邮电大学，2008:1-10. 14 仲崇祥.SC-FDMA 关键技术研究.成都：电子科技大学，2009:1-5. 三、初步设计方法与实施方案三、初步设计方法与实施方案 1设计方法： （1）熟练掌握 OFDM 基本原理与技术，分析 OFDM 技术优缺点，深入理 解 OFDM 系统的基本工作过程，基于 MATLAB 软件平台，设计并绘制 OFDM 调制解调系统的仿真流程图 （2）结合 OFDM 调制解调系统的仿真流程图，初步设计出 OFDM 调制解 调系统原理方框图 （3）结合系统仿真流程图，完成系统仿真参数设置，并编写仿真程序代码 （4）调试运行系统仿真程序，改变调制方式或信号帧长度，观察记录仿真 数据与结果，计算误码率，分析系统性能，发现问题并提出解决方案 （5）根据解决方案，完善仿真系统，并验证结果，得出结论 2实施方案： （1）根据设计方法，首先详细解读 OFDM 原理与技术，掌握 OFDM 系统 工作原理，设计并绘制出 OFDM 调制解调系统仿真基本流程图，如图 3.1 所示： 图 3.1 OFDM 调制解调系统仿真基本流程图 在上述 OFDM 系统仿真基本流程图中，需要注意的是，系统发送端输入信 号以后，首先必须对输入的二进制数据流进行信道编码、交织、然后进行数字基 带调制产生调制信息，插入导频，进行串行并行变换之后加入子载波，用 IFFT 进行 OFDM 变换、之后在进行并串变换。在进行信号样值的 D/A 变换之前，在 每一个 OFDM 符号之前插入前缀，之后通过 D/A 变换形成连续时间的复包络， 通过正交调制器最终得到 OFDM 信号。当 OFDM 信号在系统信道中传输时，向 信道中加入高斯噪声以模拟现实中的信道传输。 系统接收端接受和处理信号的过 程，其实质是发送端工作的逆过程，需要注意的两点是，其一，在实际的 OFDM 系统中，当接收信号通过 A/D 变换时，产生了采样偏差，以及在数字基带信号， 为获取信号帧的起始位置而产生信号定时偏差， 所以在接收端必须要采取定时和 频率同步。其二，要估计信道的传输函数或冲击响应，再对均衡后的信号进行解 调，解交织和译码。最后再结合系统接收端的输出信号、发送端的输入信号以及 系统参数，分析 OFDM 调制解调系统性能。 （2）根据 OFDM 调制解调系统仿真基本流程图，设计并 OFDM 调制解调 系统原理方框图，如图 3.2 所示： 输入信号 系统 性能分析 输出信号 串并变换 调制 IFFT 并串转换信道串并转换 FFT 解调 并串变换 噪声 图 3.2 OFDM 调制解调系统原理方框图 首先，向发送端输入一个二进制信号，通过编码调制模块对输入的数据编码 和调制，产生调制一个调制复数符号序列，在串并变换之前，先向序列插入辅助 符号以识别 OFDM 载波频偏，再经串并变换模块形成 N 个并行的调制符号，周 期为 T， 然后在每个周期 T 内， 这 N 个并行的调制符号经过 IFFT 模块， 将 OFDM 复包络的频域样值变换为时域样值，再通过并串变换模块，将并行的时域样值变 换成按时间顺序排列的串行时域样值，并且通过插入保护间隔模块在每一个 OFDM 符号之前插入一个循环前缀作为保护间隔，以此来对 OFDM 符号进行定 界，消除符号间串扰（ISI）和信道干扰（ICI）。最后通过 D/A 变换，将离散时 间的复包络变成连续时间的复包络。 最终将复包络的实部与虚部通过正交调制器 得到 OFDM 信号（实带通信号），再将基带信号通过上变频搬移到 RF 上，经 过功率放大器后发射出去。 OFDM 系统接收端工作的基本过程其实质是系统发送端工作的逆过程，此 处不再对接收端结构图中的各模块功能进行一一赘述。结构图中，定时频率同步 模块的作用是，对接收信号通过 A/D 变换等模块后产生的载波、采样和符号定 时偏差进行补偿，以保证接受端能够正常工作。信道估计模块的作用是，估计信 道的传输函数或冲击响应，从而为后续的相干解调提供所需的信道状态信息 （CSI），本设计所采用的信道估计的算法为 LS 算法。 （3）根据上述系统各个模块和发送端、接收端结构图，基于 MATLAB 软 件平台设计系统仿真程序，编写仿真程序代码，实现上述各模块功能，完成系统 基本参数设置。 （4） 调试运行 OFDM 系统仿真程序， 改变系统参数， 分别使用 BPSK、 QPSK、 16QAM 和 64QAM 四种不同的调制方式进行调制，记录信号波形与参数，分析 系统性能，提出改善方案，并验证方案可行性，最后得出结论，完成论文。 四、预期结果四、预期结果 1 掌握 OFDM 基本原理与技术， 分析 OFDM 技术优缺点， 并根据对 OFDM 技术原理的理解与实现条件的掌握， 提出可行性建议， 并最终在毕业设计 （论文） 中呈现 2完成对 OFDM 调制与解调系统基本框图、仿真流程图的设计，完成系统 仿真参数的设置，完成仿真程序代码的编写，并最终在毕业设计（论文）中呈现 3OFDM 调制与解调系统仿真程序能够良好运行，根据仿真结果，分析系 统性能，找出问题，提出方案并解决问题，得出结论，完成论文 五、进度计划五、进度计划 自 2014 年 12 月 8 日起，毕业设计（论文）进度计划以周为单位，具体安排 如下： 第 1 周：查找相关文献、资料，确立并提交选题。 第 2 周：查阅相关资料、调查研究并撰写开题报告。 第 3 周：完成开题报告的初步撰写，上交指导老师进行检阅与指导。 第 4 周：根据指导老师意见完成开题报告的修改，上交指导老师进行最终确 认，准备开题答辩。 第 5 周：完成开题答辩，并根据答辩组意见开始撰写论文初稿。 第 6-7 周：基于 MATLAB 平台完成系统的初步设计，并进行程序的初步编 写。 第 8-9 周：完成程序的初步运行与调试，记录相关数据与结果，上交指